1、第三章第三章 环境污染的生物监测与评价环境污染的生物监测与评价 一一 概况概况 二二 大气污染的生物监测与评价大气污染的生物监测与评价 三三 水体污染的生物监测与评价水体污染的生物监测与评价 四四物理、化学诱变物质检测物理、化学诱变物质检测一一 概况概况 生物对环境毒物、污染物的反应变化程度作为监测评价环境质量变化、受污染程度的依据称为生物监测（monitoring）与评价（evaluating）。生物监测本世纪初才提出，70年代才逐渐成为较活跃的研究领域。19081909年，德国科学家科尔克威茨（Kolkwitz）和马森（Marson）首先提出了污水生物系统评价法，从而为水体污染的生物监测打
2、下了基础。我国自70年代起，在进行污染源的调查中开展了生物监测工作，运用藻类、原生动物、底栖无脊椎动物等生物对水体污染状况进行了研究。1、生物监测的特点生物监测的特点（1）能综合地反映环境质量状况）能综合地反映环境质量状况 环境问题是相当复杂的，某一生态效应常是几种因素综合作用的结果。如在受污染的水体中，通常是多种污染物并存，而每种污染物并非都是各自单独起作用，各类污染物之间也不都是简单的加减关系。（2）具有多功能性）具有多功能性 通常，理化监测仪器的专一注很强，测定03的仪器不能兼测S02，测S02的也不能兼测C2H4。生物监测却能通过指示生物的不同反应症状，分别监测多种干扰效应。植物受SO
3、2、PAN和氟化物的危害后，叶的组织结构和色泽常表现出不同的受害症状。（3）监测灵敏度高）监测灵敏度高 有些生物对某种污染物的反应很敏感。如有种唐昌蒲，在0.01ppm的氟化氢下，20小时就出现反应症状，据记载，有的敏感植物能监测到十亿分之一浓度的氟化物污染，而现在许多仪器也未达到这样的灵敏度水平。2、生物监测不足之处生物监测不足之处（1）不能像理化监测仪器那样迅速作出反应，从而可在较短时间内就能获得监测结果，也不能像仪器那样能精确地监测出环境中某些污染物的含量，它通常反映的只是各监测点的相对污染或变化水平；（2）生物生长发育，生理代谢状况等都制约着外生物生长发育，生理代谢状况等都制约着外干扰
4、的作用。干扰的作用。相同强度的同种干扰对处于不同状态的生物常产生不同的生态效应。如水稻在抽穗、扬花、灌浆时期对污染反应最敏感、危害最大，而成熟期的敏感性就明显降低；（3）指示生物同一受害症状可由多种因素造成，指示生物同一受害症状可由多种因素造成，增加了对监测结果判断的困难。增加了对监测结果判断的困难。如许多植物的落叶、矮态、卷转、僵直和扭曲等，大气氟化物的污染和低浓度除草剂的施用均可造成上述异常现象。S02对植物的伤害往往与霜冻或无机盐缺乏的症状也很相似。二二 大气污染的生物监测与评价大气污染的生物监测与评价 1 指示生物指示生物 有些生物，尤其是植物，它们对有害物质能够显示出明显的伤害症状，
5、由此可检测环境的污染程度，称之为指示生物。2 指示植物的选择标准指示植物的选择标准（1）对污染物反应敏感并表现出明显的伤害症状。（2）为常见品种，易管理和繁殖，生长季节长。（3）植株必须健壮，干扰症少。3 指示植物的选择方法指示植物的选择方法（1）现场调查法现场调查法（2）栽培比较法栽培比较法 将筛选植物进行盆栽培养，然后放在已知污染区一定点位上进行观察，选出敏感植物。（3）熏气试验法熏气试验法 将需要筛选的植物移植或放置熏气室中，把所需浓度的单一或混合污染气体与空气混合后通人熏气室内。（4）叶片浸蘸法叶片浸蘸法 将化学溶液浸蘸植物叶片后，产生近似于某种污染气体直接熏气同样的效果。如浸蘸氢氟酸
6、可产生氟化氢的效果，浸蘸亚硫酸可产生二氧化硫的效果等。4 伤害症状、敏感品种伤害症状、敏感品种（1）伤害症状伤害症状 SO2：伤斑大部分出现在叶脉间，伤区与健康组织之间界线分明。NOx：伤斑大部分出现在叶脉间，伤区与健康组织之间界线分明。Cl2：伤斑也主要在叶脉间，但伤斑与健康组织之间的界线模糊或有一个过渡区。HF：伤斑多出现在叶尖和叶缘，伤区与非伤区之间常有一条红色或深褐色的边界线。O3：伤害主要在叶面出现密集的细小斑点。A.A.二氧化硫指示植物二氧化硫指示植物苔藓苔藓白蜡树白蜡树云杉云杉地衣地衣棉花棉花白杨白杨 (2)(2)指示植物指示植物B.光化学氧化物指示植物光化学氧化物指示植物矮牵牛
7、花矮牵牛花葡萄葡萄菠菜菠菜黄瓜黄瓜马铃薯马铃薯洋葱洋葱C.氟化物指示植物氟化物指示植物D 乙烯的指示植物乙烯的指示植物E E 氮氧化物指示植物氮氧化物指示植物（3）大气污染伤害植物的特点）大气污染伤害植物的特点 1）有明显的方向性有明显的方向性 同一株树上，面向污染源的部分，要比背向污染源的部分受害严重。2）植物的受害程度与距离污染源的远近密切相关。植物的受害程度与距离污染源的远近密切相关。一般距离越近，植物受害越重；距离越远，植物受害越轻。但如污染源是一个很高的烟囱，则在一定范围内离烟囱越近受害越轻，最大落地浓度为烟囱高度15-20倍。3）在有害气体扩散过程中遇障碍物，障碍物后面的植物可在有
8、害气体扩散过程中遇障碍物，障碍物后面的植物可避免受害避免受害 4）不局限在一种植物上，而是涉及到各种植物不局限在一种植物上，而是涉及到各种植物。5 大气污染区的植物评价方法大气污染区的植物评价方法（1）症状指标法症状指标法 通过观察植物形态变化，尤其是叶片出现的受害症状，可以作为评价大气环境污染的指标。（2）生长量指标法生长量指标法 IA=W0/Wm 式中，IA影响指数 W0清洁区（对照）植物生长量 Wm污染区植物生长量（3）群落生态指标法群落生态指标法 主要是利用群落结构的变化，来反映群落中的种类数和丰度的关系，进而对环境进行监测和评价。在未受污染胁迫的正常群落中，种类数多。随着污染胁迫的增
9、加，种类数下降。在利用群落生态指标法时，一般选择附生苔藓植物群落，这是因为苔藓植物具有以下特点：1）生长于树皮，不受土壤条件的影响。2）多年生常绿植物，全年可测。（苔藓计）3）叶多数只有一层细胞，对污染物敏感。附生苔藓调查及城市大气污染分级 X：每m3空气中的细菌数 N：平板暴露分钟，于37培养小时后生长的菌落数 r：平皿底半径（cm）6 空气细菌污染与监测空气细菌污染与监测2100100rNX（1）沉降平皿法沉降平皿法奥梅梁斯基曾建议：如面积为100cm2的平板培养基，暴露在空气中5分钟，于37培养24小时后所生长的菌落数，相当于10L空气中的细菌数（2）滤过滤过法法 使一定体积的空气通过吸
10、附剂，而后培养吸附剂中的细菌，计数出菌落数。1）先将仪器按图装置。2）将下面的大玻瓶盛满4L水。3）旋开水龙头，使水缓缓流出。这时外界的空气被吸人，经喇叭口进人盛有50ml无菌水的三角瓶中。至4L水淹完后，则4体积空气中的微生物被滤过在50ml水中。4）自三角瓶中吸1ml水放入无菌培养血中，然后加入肉膏蛋白陈琼脂培养基中，摇匀，凝固后置28培养48小时后计算结果。1 水生生物样品的采集和处理水生生物样品的采集和处理（1）浮游生物浮游生物 1）主要类群 2）采样 样点设置：浮游生物网、采水器。采样深度：浮游生物在水体中不仅水平分布上有差异，而且垂直分布上也有不同。水深2米以内的，可在0.5米左右
11、深处采样，3米以上可分层采样。固定保存 计数 三三 水体污染的生物监测与评价水体污染的生物监测与评价（2）底栖生物调查底栖生物调查 底栖动物一般认为体长超过2mm，所以亦称为底栖大型无脊椎动物。2 水体初级生产力的测定水体初级生产力的测定（1）黑白瓶测氧法黑白瓶测氧法 1）原理 2）操作步骤 采水与灌瓶 挂瓶 曝光：通常曝光24小时 3）计算方法 总产量=白瓶溶氧-黑瓶溶氧 呼吸量=初始溶氧-黑瓶溶氧 净产量=总产量-呼吸量（2）叶绿素含量测定法叶绿素含量测定法 3 污水生物系统法污水生物系统法 1960年海因斯（Hyness）提出河流从排入处到下游的生态学模式。在欧洲，则比较广泛地应用190
12、9年德国科学家科尔克威斯和莫尔斯森（Kolkwiz和Marsson）的水体污染评价标准。根据这个理论，当水体受污染后，发生一系列自净过程，生物种类发生变化，出现特有的指示生物，可分别划分为四个不同的地带；即多污染带、中污带、中污染带和寡污带。后来又有人把多污带及寡污带也划分为、合计6个。将受有机物污染的河流按照污染程度和自净过程，自上将受有机物污染的河流按照污染程度和自净过程，自上游向下游划分为四个相互连续的河段，即多污带段、游向下游划分为四个相互连续的河段，即多污带段、-中中污带段、污带段、-中污带段和寡污带段，每个带都有自己的物理、中污带段和寡污带段，每个带都有自己的物理、化学和生物学特征
13、。根据这些特征进行判断。化学和生物学特征。根据这些特征进行判断。污污水水在环境质量发生变化时，生物的种类和数量也都会随之发生变化，把生物种类和数量发生的这种变化用恰当的数学公式加以表示，所求得的数值即为生物指数。（1）颤蚓类与全部底栖动物相比的生物指数颤蚓类与全部底栖动物相比的生物指数水蚯蚓与陆蚯蚓是相似的。习见的有四个科，即飘体虫科、仙女虫科、颤蚓科和带丝蚓科。颤蚓类密度可达每平方米2万尾以上。污水底部全部是红若地毯的颤蚓，前半部埋在泥中，后半部露在水中不断地摆动，皆以耐有机污染著称。4 生物指数法生物指数法也可按下面方法来进行评价：颤蚓类100条/m2 不污染 100-999 轻污染100
14、0-5000 中等污染 7500 严重污染 100底栖动物个体数颤蚓类个体数生物指数（1）颤蚓类与全部底栖动物相比的生物指数颤蚓类与全部底栖动物相比的生物指数大于80%污染严重，小于60%认为水质良好。（2）多样性指数（多样性指数（diversity index）种的多样性包含两个成分，一为群落中的种类数；二是群落中各种种类的个体数的数量分布。在大部分多样性指数中，组成群落的生物种类越多，其多样性指数越大，而重复性越小。多样性大的群落，就具有更复杂的营养通道，更多的营养链和侧链，群落的稳定性也就越大。自然的生物群落往往由较多个体数的少数种和具有较少个体数的多数种组成。如环境污染不利因素将导致群
15、落中生物种类减少，降低种间竞争的相互作用，使留下的耐污种类的个体数增多。以致受污染环境中群落的多样性比正常环境内少。NinkiNind2log11）香农（香农（Shannon）指数）指数ni：第i种的个体数 I=1，2，3，kN：生物的总个体数d 大于3为寡污带，d=1-3为中污带，d小于1为多污带。式中：d-多样性指数 S-种类数 N-总个体数d大于3为寡污带，d=1-3为中污带，d小于1为多污带。NSdln12）马吉莱夫（）马吉莱夫（Margelef）多样性指数）多样性指数 珠江广州河段污染评价（利用底栖动物）珠江广州河段污染评价（利用底栖动物）R-“组”数N-总个体数C.I大于3为寡污带
16、，C.I=1-3为中污带，C.I小于1为多污带。NRIC.3）凯恩斯（）凯恩斯（Cairns）连续比较指数）连续比较指数 5 鱼类毒性试验鱼类毒性试验 鱼类毒性试验的主要目的是寻求某种毒物或工业废水对鱼类的半致死浓度与安全浓度。所谓安全浓度，就是在污染物的持续作用下，鱼类可以正常存活、生长、繁殖的最高毒物浓度。（1）鱼种的选择 实验鱼要求对污水反应灵感的本地种类，鲤鱼和鲫鱼是国际性鱼类，而金鱼对一些毒物反应灵感，都是应用较多的实验鱼类。（2）实验条件的控制 实验鱼要求是同一批来源，同种、同龄。(3)半数致死浓度半数致死浓度(LC50)或平均忍受限或平均忍受限(TLm)的计算的计算实验时选用5种
17、以上不同浓度（mg/L），并设置重复2-3个及对照组。试验时间一般为48-96小时，找出鱼半数存活率浓度。（4）安全浓度的计算）安全浓度的计算 LmgTLmTLmTLm/48/243.0482安全浓度式中，48TLm48h半数存活率浓度（mg/L）24TLm24h半数存活率浓度（mg/L）安全浓度的验证：如有中毒症状发生，则应降低浓度再实验，直到确证某浓度对鱼是安全的。6 鱼类毒性试验鱼类毒性试验6 水体富营养化的监测与评价水体富营养化的监测与评价 藻类总数及叶绿素-a含量评价法 优势种评价法 不同营养状态的水体中存在不同的生物种类，特别在优势种方面差异明显。一般来说，贫营养型湖泊中的浮游植物
18、以金藻、黄藻类为主，中营养型湖泊中常以甲藻、隐藻、硅藻类占优势，富营养型湖泊则常以绿藻、蓝藻类占优势。多样性指数评价方法 水体富营养化评价实例 综合评价标准7 水污染的细菌学监测水污染的细菌学监测 我国现行生活饮用水卫生标准规定：细菌总数1ml自来水不得超过100个；大肠菌群数每升自来水中不得超过3个。水的细菌性污染主要是由于粪便污水的排放而引起的。要判断水质是否安全可靠，最好是检查水中有无病原菌。但由于被粪便污染的水中病原菌数量毕竟较少，所以只测定水中有无肠道非病原菌的存在，就可以确定是否受到粪便的污染。而大肠杆菌群是肠道杆菌好氧菌中最普遍和数量最多的一种，且与肠道致病菌呈一定正相关，因此，
19、作为水体受粪便污染的指标，以大肠杆菌群最为理想。1 微核试验微核试验（1）紫露草花粉母细胞微核试验）紫露草花粉母细胞微核试验 花粉母细胞（减数分裂）花粉母细胞（减数分裂）四分体四分体%100四分体数微核总数微核率（2）蚕豆根尖、叶尖微核试验）蚕豆根尖、叶尖微核试验 四物理、化学诱变物质检测四物理、化学诱变物质检测 艾姆斯试验是由美国加州大学艾姆斯教授等人经多年研究创建的一种检测环境中致突变物的测试方法，也称鼠伤寒沙门氏菌哺乳动物微粒体试验。由于有些致突变物质在生物体内经代谢活化后才显示致突变性，而这种活化是由微粒体非特异功能氧化酶系统完成的，而细菌和低等生物体内没有这种酶系统，故为了使试验条件
20、更近似哺乳动物的代谢情况，艾姆斯等人又采用了在体外加人哺乳动物肝微粒体酶系统（简称S-9混合液）使检物活化的方法。2艾姆斯（艾姆斯（Ames）试验）试验野生型his+营养缺陷型his-正向突变回复突变艾姆斯（艾姆斯（Ames）试验图解）试验图解环境影响评价工程程序环境影响评价工程程序生物监测与理化监测比较生物监测与理化监测比较苔藓植物监测大气质量表苔藓植物监测大气质量表1苔藓植物监测大气质量表苔藓植物监测大气质量表2滤过法测定大气细菌总数滤过法测定大气细菌总数污水生物系统法污水生物系统法珠江广州河段底栖动物主要种类藻类总数和叶绿素藻类总数和叶绿素-a含量评价法含量评价法多样性指数评价水体富营养化多样性指数评价水体富营养化水体富营养化评价实例水体富营养化评价实例水体富营养化综合评价标准水体富营养化综合评价标准SO2、NOx和和Cl2伤害症状图伤害症状图SO2、NOx Cl2HF伤害症状图伤害症状图O3伤害症状图伤害症状图富营养化富营养化云南滇池云南滇池SO2、NOx
